专利名称：模块化光纤光栅传感器网络自动匹配标定构造的制作方法
技术领域：
本实用新型属于光纤光栅传感与测量领域。
背景技术：
目前光纤光栅在传感信息测量领域受到了极大的关注和研究。由于它的诸多优点，如高精度、不受电磁干扰等，特别是在应变测量及结构健康监测领域有非常广泛的应用前景。最新的光纤光栅传感技术是采用光时分和波分复用相结合的测量方法，其具有很高的测量速度，但由于光纤光栅属于精密传感器，在制作的过程中，很容易受到制作和安装工艺的影响，使得传感光栅和参考光栅的中心波长出现失配情况，进而导致其在使用时并不能达到理想的精度效果。近来提出的常规解决方法是采用相应的温控电路进行温度补偿，消除初始误差的影响，但结合实际应用会面临以下重要问题:(I)单组匹配光栅制作较容易，可以通过筛选来选择较为匹配的参考光栅阵列，但若采用级联形式的N组光栅均要实现初步匹配较为不易，结果会增加温控方案的难度系数；(2)普通温控方案效率不高，特别在温度调节范围较大的情况下，半导体制冷器反面发热量较大，严重时会出现温度失控情况。
实用新型内容鉴于现有温度控制技术上的不足，本实用新型旨在结合光时分复用的传感网络结构，提出一种模块化的自动温度标定系统，尽可能的使其与传感光栅实现初匹配，提高温度控制方案的精确性与稳定性。本实用新型的目的通过如下手段来实现。一种模块化光纤光栅传感器网络自动匹配标定构造，由带有N个内部插槽的机箱和N个单通道光栅模块组成；每个内部插槽对应一个单通道光栅模块；单通道光栅模块为单波长传感光纤光栅、恒温腔、温度反馈与控制模块、电路控制模块组成的单板设备。本实用新型模块化光纤光栅传感器网络自动匹配标定系统，带有N个内部插槽的机箱，便于维修和替换，其中每个插槽对应一个光栅通道模块，并且插槽数量可以按照需要进行组合或间距调整。传感光栅采用级联一体式，方便在被测物体上安装布置，参考光栅采用集成了温控单元的独立单根光纤，以尽可能的使其与传感光栅实现初匹配，同时采用恒温腔设计与双温度反馈跟踪技术相结合的方法，提高温度控制方案的精确性与稳定性，确保整个传感网络的实用性。单通道光栅模块的温度反馈与控制模块由二个由温度传感器与热敏电阻构成的双温度反馈跟踪单元构成，对参考光栅温度实时反馈，根据测量系统的实时数据，控制电路会迫使温度模块向高(低)温自动调节以实现真正的匹配效果，同时采用恒温腔装置能较好的保证光栅在较长时间内处于一个温度稳定的状态，提高温度控制的精度和质量。本实用新型 的结构同时能确保实现各组传感与参考光栅的匹配，消除传统温控方案因效率、初始中心波长差距较大等一系列可能导致温度控制失败情形。
图1为本实用新型所采用的光纤光栅传感技术应用原理图。图2为本实用新型实现光纤光栅自动匹配标定的原理波形图。图3为本实用新型机箱内部插槽排布示意图。图4为本实用新型模块化温控系统的单通道光栅模块结构示意图。图5为本实用新型模块化温控系统的单通道控制接口结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的实施作进一步的描述。但是应该强调的是，下面的实施方式只是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及应用，模块数N可以为多个，比如十个。图1是本实用新型所采用的光栅传感网络构架原理图。首先，宽带光源发出的调制光信号经过环型器I送到由FBGp FBG2至FBGn组成的传感光栅阵列，传感光栅阵列反射回来的光经过环型器2进入由FBG’ pFBG’ 2至FBG’ η组成的匹配光栅阵列，再由匹配光栅阵列反射之后由H)进行光电转换并输入测量系统，根据测量系统得到的数据来决定如何启动对应通道的高低温控制模块。采用模块化的单通道光栅板设计，可以在初始系统中参考光栅的选择上适当做出相应“预匹配”，使中心波长误差控制在合适的范围内，以保证后续温控方案的高效性。
图2说明了这种光栅传感技术的原理，通过测量传感与参考光栅最终的反射谱功率，来得到当前的应变等信息，在理想情况下应该是这样的，传感光栅与参考光栅的中心波长大致相同，此时反射谱功率最大，即匹配。但在实际应用过程中，由于生产工艺以及现场安装工艺的差异会使得两组光栅的初始状态出现失配的情况，即图2中的前两种状态，这种情况会直接影响到系统测量的可靠性和精度。图3所示，采用内部通道式的插槽设计。插槽Chi (i=L...!!)的数量和间距可以根据实际需求灵活调整，方便安装与维护；同时采用内部插槽式设计有利于更好的保护各个光栅模块。图4中可看到，半导体制冷片200，主要用来控制参考光栅的温度，根据实际需要可以是低温也可以是高温。201是光栅部分，205是光栅的尾纤部分。202和207分别是温度传感器与热敏电阻所组成的双温度反馈跟踪单元，作用在于能较好的保证温度控制方案的稳定性。208是恒温腔，使光栅能够保持在一个恒定的温度。209是FC/APC接头，用于级联接入测量系统中的参考光栅。203是电控制模块，主要用于控制半导体制冷片及其所在恒温腔的温度，并且实时将热敏电阻与温度传感器的信息反馈以进行自动温度调节。204是接口模块，206为主要用于和温度控制主板通信并提供相应的电气接口。所述电路控制模块203由中央处理器、LTC1923和高精度DAC器件共同组成，中央处理器通过双反馈的温度信息控制DAC的电压输出，并由LTC1923自动实现半导体制冷器上的温度调节。图5是本实用新型模块化温控系统的单通道控制接口结构示意图，其主要为单通道光栅模块提供相应的控制接口和电气接口，例如，图4中FC/APC接头209就与图3中209A孔相接。采用独立的接口设计有利于减少各通道之间的相互影响，进一步的提高了温控方案的精确性。本实用新型可用到基于匹配光栅传感技术的诸多场合，特别地对于精确应变测量、结构健康监测等领域有重大工程价值；与普通的温控方案相比其更能确保测量系统的稳定性与 精确性。
权利要求1.模块化光纤光栅传感器网络自动匹配标定构造，其特征在于，由带有N个内部插槽的机箱和N个单通道光栅模块组成；每个内部插槽对应一个单通道光栅模块；单通道光栅模块为单波长传感光纤光栅、恒温腔、温度反馈与控制模块、电路控制模块组成的单板设备。
2.根据权利要求1所述的模块化光纤光栅传感器网络自动匹配标定构造，其特征在于，所述单通道光栅模块的温度反馈与控制模块由二个由温度传感器与热敏电阻构成的双温度反馈跟踪单元构成 。
专利摘要本实用新型公开了一种模块化光纤光栅传感器网络自动匹配标定构造。针对采用光时分和波分复用相结合的传感信息测量系统，解决了因制作和安装工艺所带来的中心波长失配问题。系统整体采用内部插槽式的安装设计，便于维修与安全；同时针对单通道光栅模块采用恒温腔进行光栅的封装设计，并使用热敏电阻与温度传感器相结合的双反馈式温度跟踪技术，确保温控方案的精确性，解决了传统温控方案因温控精度和效率不足所带来的潜在问题。组网规模灵活、安装维护方便，更具实际工程应用价值，可用于应力测量、结构健康监测等领域。
文档编号G01D3/036GK203132561SQ20132006331
公开日2013年8月14日 申请日期2013年2月4日 优先权日2013年2月4日
发明者吴宗铃, 闫连山, 周威, 王波, 潘炜, 罗斌, 张志勇, 邹喜华 申请人:西南交通大学